CN1511669A - 具有视觉焊缝自动跟踪功能的弧焊机器人控制平台 - Google Patents
具有视觉焊缝自动跟踪功能的弧焊机器人控制平台 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有视觉焊缝自动跟踪功能的弧焊机器人控制平台，包括控制器，用于控制机器人的运动；机器人，在所述控制器的控制下，移动焊枪进行焊接；计算机，用于计算机器人的各种参数，通过控制器控制机器人的运动；激光器，向被焊工件发出平面光束；固定在机器人末端的摄像头，采集由激光器产生的平面光束照到被焊工件的接头坡口处所形成的图像，并将所采集的图像通过视频线传送到计算机进行处理。本发明具有开放的结构体系，可以控制多种类型的工业机器人、伺服控制器、视频设备，能够更加灵活地控制工业机器人，更加方便地增加或改变其硬件配置，实现不同的功能，使现有的机器人生产进一步适应现代工业生产小批量多品种的要求。
Description
技术领域
本发明涉及通用的工业机器人控制系统，特别涉及具有视觉焊缝自动跟踪功能的弧焊机器人控制平台。
背景技术
传统工业弧焊机器人系统的基本结构如图1所示，A1为控制器，R1为工业机器人，H1为焊枪，G1为待焊工件。这种系统采取的主要工作方式是示教再现，即在焊接工作前，手动控制机器人的末端焊枪沿焊缝移动，在移动过程中记录各个电机轨迹点的位置，以此来计算焊缝位置并完成焊接任务。这种作业方式的缺点之一是示教工作繁琐，占用较多工时，当焊缝较不规则时，这一缺陷尤其突出。另一个缺点是缺乏对焊缝位置变化的适应性。例如，如果一批工件的焊缝位置不是完全一致，那么就要逐个对工件进行位置示教。与一般工业自动化操作机构以及搬运机器人相比，弧焊机器人不仅对运动控制要求高，同时需要高精度的焊枪与工件之间的轨迹位置关系、运动速度以及焊枪姿态。提高工件加工精度、严格控制机器人示教轨迹不但会提高制造成本，而且限制使用范围。因此，为了提高生产效率，使弧焊机器人系统具有对焊缝位置变化的适应性，必须使弧焊系统具备焊缝自动跟踪功能。
焊缝视觉跟踪传感器主要分为三种方式：结构光式、激光扫描式和直接拍摄电弧式。目前现存的弧焊机器人的视觉控制系统还存在许多不完善的地方，不具备开放性，不能满足机器人在未知环境下识别、处理问题的要求。(参见吴林、陈善本等编著《智能化焊接技术》，国防工业出版社，2001.5)。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有视觉焊缝自动跟踪功能的弧焊机器人控制平台。
为实现上述目的，具有视觉焊缝自动跟踪功能的弧焊机器人控制平台，包括：
控制器，用于控制机器人的运动；
机器人，在所述控制器的控制下，移动焊枪进行焊接，其特征在于还包括：
计算机，用于计算机器人的各种参数，通过控制器控制机器人的运动；
激光器，向被焊工件发出平面光束；
固定在机器人末端的摄像头，采集由激光器产生的平面光束照到被焊工件的接头坡口处所形成的图像，并将所采集的图像通过视频线传送到计算机进行处理。
本发明实现了弧焊机器人的焊缝自动跟踪功能，可大大提高生产效率；本发明具有开放的结构体系，可以控制多种类型的工业机器人、伺服控制器、视频设备(包括视频采集卡和CCD摄像头)，能够更加灵活地控制工业机器人，更加方便地增加或改变其硬件配置，实现不同的功能，使现有的机器人生产进一步适应现代工业生产小批量多品种的要求；本发明也可以作为一种实验平台，通过在其上层开发基于不同操作系统的控制软件，可以对以前只能通过计算机仿真的各种控制策略进行实验，为未来工业机器人的研究及开发提供一种实验平台。
附图说明
图1为传统的弧焊工业机器人控制系统的配置连接图；
图2为基于开放式工业机器人控制器的具有视觉焊缝自动跟踪功能的弧焊机器人视觉平台配置连接图；
图3为开放式工业机器人控制器内部驱动部分连接图；
图4为两部CCD摄像头与双路采集卡的连接图。
具体实施方式
本发明与现有技术(图1)的不同之处在于：
增加了外接的PC机I1，使用户可以根据自己的实际需要编制和修改控制程序。
配置了两个固定于机器人末端的CCD摄像头D1和D2，以及一个激光发射器L1，以生成结构光。
本发明的技术核心还在于将开放式工业机器人控制器应用于机器人视觉系统，通过计算机连接两个CCD摄像头(可外加滤光片)，并且通过开放式工业机器人控制器控制激光发射装置。图2为该控制平台具体的连线示意图，图中的I1为工业计算机；A2为开放式工业机器人控制器；D1和D2为固定在机器人末端的CCD摄像头(可外加滤光片)，数据线连接到A2中的视频采集卡的视频端口，其位姿随机器人末端的位姿变化而变化；L1为一激光发射器(可外加滤光片)，它通过一个调光控制装置(图3中C6)与A2相连，光强的调节通过A2实现。
图2的工作原理如下：计算机通过插在其PCI总线上的视频采集卡与CCD摄像头相连，采集卡为双路输入，可以根据不同的需要选用不同的摄像头。为完成视觉焊缝自动跟踪任务，首先由控制器通过C7控制激光器L1发出平面光束，摄像头D1和D2采集由激光器产生的面束照到工件G2的接头坡口处所形成的图像，并通过视频线传送到计算机，然后经过滤波、图像二值化、图像细化和直线拟合等图像处理过程，得到图像的各种特征参数。由两个摄像头图像的匹配关系和预先标定过的摄像头内外参数，再提取出槽口的位姿、尺寸等所需要的各种信息。根据所得到的信息，通过特定的算法规划出机器人的运动轨迹，然后分解到各个关节。计算机把各个关节的运动参数传到开放式机器人控制器A2，控制器内的伺服包输出的驱动信号可以驱动机器人R2的伺服电机，控制机器人的运动，完成视觉焊缝自动跟踪任务。R2各个关节的位置通过安装在关节电机上的码盘得到。CCD摄像头的采样图像效果受光线强度影响很大，于是设计A2有一路输出控制激光器L1的光源输出强度，如果D2和D3采样得到的图像效果不理想，系统可自动根据实际需要调节L1的光强。
图3为开放式机器人控制器内部驱动部分连线图，图中C1为多轴运动控制器PMAC2-PC(简称PMAC)，它可以插在工业计算机上的ISA总线的插槽上，C2(第二码盘转换器)和C3(第一码盘转换器)为YASKAWA绝对码盘转换器ACC-8D-OPTION9，C4(第一信号匹配转换器)、C5(第二信号匹配转换器)和C6(第三信号匹配转换器)为信号匹配转换器ACC-8E，C7为电压调节电路；C2、C3、C4、C5、C6和C7均安装在A2内部；C1的J1端口与C2的P6口连接，JMAC2、JMAC3和JMAC4端口分别与C4、C5和C6的JMACH口连接；C2的J2端口与C4的J1端口相连，C3的J1、J2端口分别与C5和C6的J1端口连接；伺服包S1、S2、S3、S4、S5和S6分别驱动交流伺服电机M1、M2、M3、M4、M5和M6；伺服包S1和S2的EO端口分别连接到C2的P2和P3端口，伺服包S3、S4、S5和S6的EO端口分别连接到C3的P1、P2、P3和P4端口；伺服包S1和S2的CI端口分别连接到C4的TB3和TB5端口，伺服包S3和S4的CI端口分别连接到C5的TB3和TB5端口，伺服包S5和S6的CI端口分别连接到C6的TB3和TB5端口；C6的TB4端口与C7相连；C7与激光器L1相连。
图3的工作原理如下：
通过运行在工业计算机上编制的控制程序发出电压控制信号，通过C1上的JMAC2、JMAC3和JMAC4端口传送给C4、C5和C6的JMAC端口，再由C4、C5和C6经过数模转化传送给伺服包S1、S2、S3、S4、S5和S6，进而形成伺服电机M1、M2、M3、M4、M5和M6的驱动脉冲。
机器人各个关节的位置的变化是通过安装在伺服电机上的绝对码盘产生的。由M1、M2、M3、M4、M5和M6产生的码盘信号先送给S1、S2、S3、S4、S5和S6，再通过它们的EO端口传递给绝对码盘转换器C2和C3；一方面C3将码盘绝对位置信号传给C2，C2再将C2和C3的绝对位置信号都传回PMAC；另一方面C2和C3将绝对码盘信号转换为增量信号，C2将此信号传给C4，C3将增量信号分别传给C5和C6；在需要时，C4、C5和C6通过各自的JMAC端口再将增量信号传给PMAC；最后通过ISA总线，PMAC再将各电机的绝对位置读数上传工控机。这样计算机就得到了伺服电机的码盘读数，通过计算机程序就可以解读这些码盘数据，以确定机器人各关节的位置和运动状态。
照明光线强度的调整也是通过控制器来实现的，计算机根据摄像头采样图像的情况输出一个调节电压数给C1，C1将此信号传送给C4，C4的TB4端口输出一个0～6V的模拟电压信号给电压调节电路C7，C7的输出根据其输入成线性变化，因此，可以调节L1的亮度。
图4为两部CCD摄像头与双路采集卡的连接图。摄像头通过视频传输线连接到双路图像采集卡C8；C8通过PCI总线与计算机I1连接。其工作原理如下：摄像头加电后工作，不断产生调制的PAL模式视频信号，这些信号传送到采集卡。在应用程序软件的控制下，这些视频信号被采集卡处理成图像数据格式，并传输到计算机内存，应用程序从内存中读取图像数据，并进行下一步的处理。
本发明采用双目视觉，平面结构光成像技术，实现了弧焊机器人的焊缝定位和跟踪功能，所提出的具有视觉焊缝自动跟踪功能的弧焊机器人控制平台的主要优点如下：采用双目视觉技术，克服了单目视觉可能造成的遮挡困难；采用结构光，避开了被动视觉难以解决的弧焊光干扰问题；将开放式工业机器人控制器运用到视觉系统中，采用开放式的结构，用户一方面可以根据自己的需要灵活定制硬件配置，另一方面可以在本控制平台的基础上进行二次开发，完成一些原有系统所不具备的任务。
实施例：
本控制平台通过图3所示的电路实现了对机器人的伺服电机、可调激光器的控制。在实施例中，搭建了由一台工业机器人、一台开放式工业机器人控制器、两部CCD摄像头、一块视频采集卡和一只激光器构成的具有视觉焊缝自动跟踪功能的弧焊机器人视觉平台。工业计算机可采用ADVANTECH-610，采用安川YASKAWA MOTOMAN SK10型机器人本体作为控制对象，伺服包分别采用口本安川YASKAWA CACR-SR15SZ1SD-Y214型单轴驱动伺服包，用于驱动机器人的S、L、U、R、B和T六个关节，摄像头采用SONY Digital Hyper HAD彩色摄像头(可外加滤光片)、视频采集卡选用PCI总线的OK-C80/M采集卡，激光器采用半导体激光器(可外加滤光片)。
本发明是实现工业机器人的焊缝自动跟踪的装置。
首先由控制器通过C7控制激光器L1发出平面光束，在摄像头D1和D2采集由激光器产生的面束照到工件G2的接头坡口处所形成的图像，并通过视频线传送到计算机，然后经过滤波、图像二值化、图像细化和直线拟合等图像处理过程，得到图像的各种特征参数。由两个摄像头图像的匹配关系和预先标定过的摄像头内外参数，再提取出槽口的位姿、尺寸等所需要的各种信息。根据所得到的信息，通过特定的算法规划出机器人的运动轨迹，然后分解到各个关节。计算机把各个关节的运动参数传到开放式机器人控制器A2，控制器内的伺服包输出的驱动信号可以驱动机器人R2的伺服电机，控制机器人的运动，完成视觉焊缝自动跟踪任务。
本发明采用开放式工业机器人控制器代替了传统的结构封闭的机器人控制器，通过开放式工业机器人控制器实现了视觉焊缝自动跟踪功能。该发明使机器人用户无需对焊缝逐点示教，就可自动制定弧焊机器人的作业任务，可大大提高生产效率。此外，由于结构开放，因此可以便捷地为机器人增添一些出厂时不具备的功能，提高了用户对机器人的控制能力。该创作对于提高弧焊工业机器人的生产效率，增加其对未知环境的适应能力，拓展机器人在工业生产中的应用具有重要的作用。
Claims (6)
1.一种具有视觉焊缝自动跟踪功能的弧焊机器人控制平台，包括：
控制器，用于控制机器人的运动；
机器人，在所述控制器的控制下，移动焊枪进行焊接，其特征在于还包括：
计算机，用于计算机器人的各种参数，通过控制器控制机器人的运动；
激光器，向被焊工件发出平面光束；
固定在机器人末端的摄像头，采集由激光器产生的平面光束照到被焊工件的接头坡口处所形成的图像，并将所采集的图像通过视频线传送到计算机进行处理。
2.按权利要求1所述的控制平台，其特征在于所述的摄像机为两台。
3.按权利要求1所述的控制平台，其特征在于所述的摄像头通过插在PCI总线上的视频采集卡与计算机相连。
4.按权利要求1所述的控制平台，其特征在于调节所述激光光束包括：
计算机，根据摄像头采样图像情况输出一个调节电压数给多轴运动控制器，
信号匹配转换器，从多轴运动控制器接收电压调节数信号，并输出模拟电压信号给电压调节电路；
电压调节电路的输出根据输入线性变化，以调节激光器的亮度。
5.按权利要求1所述的控制平台，其特征在于所述的控制器包括：
多轴控制器，接收计算机发出的电压控制信号；
信号匹配转换器，接收来自多轴控制器的电压控制信号；
伺服包，接收经信号匹配转换器数模转换的信号；
交流伺服电机，接收伺服电机产生的信号，并形成驱动脉冲。
6.按权利要求5所述的控制平台，其特征在于还包括：
安装在伺服电机上的绝对码盘，产生码盘信号；
伺服电机，接收码盘信号，并将码盘信号传递给绝对码盘转换器；
码盘转换器，一方面，第一码盘转换器将码盘绝对位置信号传给第二码盘转换器，第二码盘转换器再将第二和第一码盘转换器的绝对位置信号都传回多轴控制器；另一方面，第二和第一码盘转换器将绝对码盘信号转换为增量信号， 第二码盘转换器将此信号传给第一信号匹配转换器，第一码盘转换器将增量信号分别传给第二和第三信号匹配转换器；
最后，通过ISA总线，多轴运动控制器再将各电机的绝对位置读数上传计算机。
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